Plasmonische Hotspots für die Einzelmolekül-Biophysik

• Antragsteller: Professor Dr. Philip Tinnefeld
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Biophysik ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 267681426

In den letzten Jahren entwickelten die Arbeitsgruppen um Acuna und Tinnefeld mit Hilfe der Unterstützung durch die DFG die Fluoreszenz einzelner Moleküle in optischen Antennen. Die optischen Antennen bestanden aus zwei Edelmetall-Nanopartikeln mit einer definierten Lücke und hatten eine DNA Nanostruktur als Grundgerüst. Neben der strukturellen Anordnung der Nanopartikel, ermöglicht das DNA-Origami das spezifische Platzieren von molekularen Einheiten im Hotspot der Antennen. Nachdem zahlreiche spektroskopische Eigenschaften der Fluoreszenzfarbstoffe im Antennenhotspot einschließlich einer Fluoreszenzverstärkung bis zu 5000fach und ein erster Nachweis der Biokompatibilität aufgeklärt worden sind, strebt die Tinnefeld Gruppe jetzt danach, DNA-Origami-Nanoantennen als neuartige Detektionsvolumen für die Einzelmolekül-Biophysik zu erforschen. Die höheren Signale und verbesserte Photostabilität der Farbstoffmoleküle im Hotspot soll dazu benutzt werden, schnelle biomolekulare Prozesse mit erhöhter Zeitauflösung zu studieren. DNA-Origami-Nanoantennen sollen bzgl. einer Reduzierung von sterischen Effekten optimiert werden und Einzelmolekül-FRET von einem Farbstoff im roten zu einem Farbstoff im nahen infraroten Spektralbereich, abgestimmt auf die spektralen Eigenschaften der optischen Antennen soll etabliert werden. Biomolekulare Zielsysteme werden im Antennenhotspot platziert und schnelle konformationelle Änderungen von Proteinen werden studiert. Darüber hinaus sollen Übergangspfadzeiten von bindungsinduzierten Faltungsreaktionen von intrinsisch ungeordneten Proteinen als auch von DNA-Haarnadelstrukturen aufgedeckt werden. Schließlich soll in einem molekularen Tauziehexperiment die DNA Strangverdrängung mit Einzel-Nukleotid-Auflösung sichtbar gemacht werden. Die Auflösung des Experiments sollte ausreichen, kleine Variationen der Verdrängungskinetik wie sie durch kleine Sequenzveränderungen (zum Beispiel auch epigenetische Nukleotidmodifikationen) auftreten, im Einzelmolekülexperiment aufzulösen. Zusammengefasst sollen DNA-Origami¬-Nanoantennen also neuartiges Detektionsvolumen für die Einzelmolekülforschung etabliert werden, um so ein neues Zeitfenster schneller biomolekularer Reaktionen zu öffnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen